Häufige Fehler bei der PCB-Montage, die Sie kennen sollten

PCB-Designer sind die Architekten hinter der Technologie, die unsere moderne Elektronik antreibt, und balancieren eine Vielzahl von Anforderungen aus, navigieren durch ein komplexes Layout, das ebenso sehr Kunst wie Wissenschaft ist.  Doch selbst die sorgfältigst entworfenen gedruckten Schaltungen können während der PCB-Herstellung und -Montage Mängel aufweisen.  In diesem Blog werden wir einen Überblick über die häufigsten Montagefehler geben, einige, die durch das PCB-Design beeinflusst werden können, und einige, die speziell mit dem Montageprozess selbst zusammenhängen.  Dann werden wir uns auf einen spezifischen Defekt konzentrieren, die Verformung der PCB und Komponenten, und betrachten, wie das PCB-Design diesen Defekt beeinflussen kann. In zukünftigen Blogs werden wir diese Defekte aus der Perspektive der Fertigbarkeit untersuchen, um die Lücke zwischen PCB-Design und Montage zu überbrücken.

Häufige PCB-Montagefehler

Lötbrücken/Kurzschlüsse: Dieser Defekt tritt auf, wenn Lötzinn zwei oder mehr leitende Merkmale verbindet und unbeabsichtigte elektrische Verbindungen verursacht. Dies kann zwischen benachbarten Pins, Pads oder Schaltungsspuren sein.

Unzureichendes Lötzinn: Unzureichendes Lötzinn kann zu unvollständigen oder schwachen Lötstellen führen, was wiederum zu schlechter elektrischer Verbindung führt. Dies kann sich als intermittierende oder offene Verbindung darstellen.

Lötperlenbildung: Lötperlen sind kleine, unbeabsichtigte Lötmittelablagerungen, die während des Reflow-Lötens auftreten können, verursacht durch unvollständiges Schmelzen und Fließen der Lötpaste. Diese können zu Kurzschlüssen führen, wenn sie sich in empfindlichen Bereichen der PCB befinden.

Lötperlen entstehen, wenn Lötpaste nicht gemischt wird oder falsch gelagert ist. [Bildquelle: Benutzer John U, stackexchange.com]

Tombstoning: Dies tritt auf, wenn ein Oberflächenmontagebauteil auf einem Ende steht, aufgrund von unausgeglichenem Reflow-Löten, was zu schlechter elektrischer Verbindung führt. Dieser Defekt wird oft durch Temperaturunterschiede während des Reflows verursacht.

Abgehobene oder fehlende Pads: Pads können sich während der Montage ablösen, was zu nicht funktionsfähigen Komponenten führt.

Komponentenfehlplatzierung: Oberflächenmontagekomponenten können während der Platzierung falsch ausgerichtet oder schief sein, was zu Lötstellenfehlern oder offenen Verbindungen führt.

Kalte Lötstellen: Kalte Lötstellen sind spröde, schwache Verbindungen, die entstehen, wenn Lötmittel während des Reflows nicht richtig fließt, oft aufgrund unzureichender Hitze oder falscher Aktivierung des Flussmittels.

BGA-Lötprobleme: Ball Grid Array (BGA)-Komponenten können unter Lötperlenfehlern, offenen Verbindungen oder Lötvoids unter einer Komponente leiden, was zu schlechter Konnektivität und Zuverlässigkeitsproblemen führen kann.

Komponenten-Polaritätswechsel: Fehler bei der Platzierung oder Ausrichtung von Komponenten können zu falscher Polarität führen, was eine Verbindung mit umgekehrter Spannung und potenziellen Schäden zur Folge hat.

Überschüssige Lötpaste: Das Auftragen von zu viel Lötpaste beim Schablonendruck kann Lötbrücken und andere mit dem Löten verbundene Defekte verursachen.

Unzureichende Lötpaste: Unzureichende Lötpaste kann zu unvollständigen oder schwachen Lötverbindungen führen, insbesondere bei Bauteilen mit feinem Raster.

Unzureichende Lötfahnen: Lötfahnen, die sich nicht angemessen um die Anschlüsse oder Pads der Komponenten bilden, was zu schwachen Verbindungen führt.

Lötkugel-Rückstände: Lötkugeln, die nach dem Reflow-Prozess auf der PCB-Oberfläche verbleiben, können Kurzschlüsse und andere Probleme verursachen.

Fehlende Komponenten: Komponenten, die aufgrund von Ausrüstungs- oder Bedienerfehlern während der Platzierung übersehen wurden.

Verzogene oder gebogene Komponenten: SMT-Komponenten können während des Reflow-Prozesses verzogen oder gebogen werden, was ihre Platzierung und die Qualität der Lötverbindungen beeinträchtigt.

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Hohe Verwerfungen im PCB können zu Verwerfungen des SMT-Pakets führen. [Bildquelle]

Verwerfung, das Risiko mindern

PCB-Designer können mehrere Maßnahmen ergreifen, um die Verformung von Komponenten und Leiterplatten zu minimieren, was zu Defekten wie Lötkugelbildung während der PCB-Montage beitragen kann. Hier sind einige Möglichkeiten, wie das Design der gedruckten Schaltplatte Einfluss nehmen und möglicherweise Verformungen verhindern kann:

Komponentenplatzierung und -fußabdruck

• Wählen Sie sorgfältig die Positionen und Orientierungen der Komponenten aus, um Stress zu minimieren.  
• Vermeiden Sie es, schwere Komponenten in empfindlichen Bereichen zu platzieren.
• Verwenden Sie Komponenten mit flachen oder koplanaren Anschlüssen, die tendenziell weniger Stress auf die Platine ausüben.
• Entwerfen Sie geeignete Komponentenfußabdrücke, die thermische Ausdehnung und Kontraktion beim Löten berücksichtigen.
• Stellen Sie sicher, dass die Komponentenpads groß genug sind, um mechanische Stabilität und Lötstellenfestigkeit zu bieten.
• Für schwere oder hohe Komponenten sollten Sie zusätzliche mechanische Befestigungsmethoden wie Schrauben oder Abstandshalter in Betracht ziehen, um Stabilität zu gewährleisten und Verformungen zu verhindern.
• Streben Sie ein symmetrisches Layout der Platine an, verteilen Sie Komponenten und Merkmale gleichmäßig, um Stress in spezifischen Bereichen zu vermeiden.
• Wenn Sie Kupferflächen verwenden, fügen Sie thermische Entlastungsverbindungen für Komponenten mit großen Masse- oder Stromanschlüssen hinzu, um zu verhindern, dass sich die Platine während des Reflow-Lötens verzieht.

Leiterplatten-Stackup

• Das PCB-Stackup sollte die Kupferverteilung auf beiden Seiten der Platine ausgleichen, um Verformungen zu minimieren.
• Wählen Sie ausgeglichene Stackups mit symmetrischen Kupfergewichten und Dielektrikum-Dicken über das gesamte Stackup hinweg.Wählen Sie Leiterplattenmaterialien, die eine gute Dimensionsstabilität und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen.
• Erwägen Sie die Verwendung von Materialien, die für Hochtemperaturanwendungen konzipiert sind, falls Ihr Design dies erfordert.

Thermische Überlegungen

• Stellen Sie sicher, dass Komponenten, die erhebliche Wärme erzeugen, über geeignete thermische Managementlösungen verfügen.  Kühlkörper, Durchkontaktierungen oder dedizierte Kupferlagen können dabei helfen.
• Verteilen Sie wärmeerzeugende Komponenten gleichmäßig über die Platine, um lokale Erwärmung und Verwerfung zu vermeiden.
• Vermeiden Sie es, dicht besiedelte Kühlkörper oder Steckverbinder in der Nähe des Zentrums der Leiterplatte zu platzieren.  Diese können ungleichmäßige Kräfte ausüben und zur Verwerfung beitragen.

Ich möchte diesen Blog mit einem Ratschlag abschließen.  Es ist wichtig, sowohl die Fertigung als auch die Montage während des Designprozesses einzubeziehen. Es gibt so viele Beispiele für Elemente, so einfach wie die Farbe der Lötmaske, die die Ausbeute beeinflussen, was wiederum Preise und Lieferzeiten beeinflusst.  Design, Fertigung und Montage zusammenzubringen, um während des gesamten Fertigungsprozesses zu kollaborieren und zu kommunizieren, wird ein Design auf den besten Weg zum Erfolg beim ersten Versuch bringen.

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